[发明专利]基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法

说明书

技术领域

本发明属于空间激光通信领域。具体涉及一种激光通信的光学滤波方法。

背景技术

空间激光通信由于具有通信容量大、方向性好、尺寸小、体积和功耗小等优点，目前已成为空间通信领域的重要研究课题。现有的空间激光通信大都采用强度调制、直接探测的方式进行通信，光波在空间中传播时，由于受到日光、月光、星光、大气和海水散射等杂散光的影响，探测信号中夹杂着很强的背景噪声。这将增大通信的误码率，降低通信质量。在通信接收终端中加入窄带光学滤波系统，可以有效的抑制背景噪声的影响，提高通信系统性能。目前，常见的光学滤波器件有干涉滤波器、原子滤波器和双折射滤波器等。

干涉滤波器是利用多光束干涉的原理滤除背景噪声。常用Fabry-Perot干涉仪作为滤波结构，即将两块光学平板平行放置，两板的内表面镀高反射膜，这样光波在干涉仪中传播时，会发生多光束干涉，只有特定波长的光才能透过干涉仪。透射波长由Fabry-Perot干涉仪结构参数决定。将多个Fabry-Perot干涉仪级联使用就构成一个窄带光学滤波器。级联数目越多，滤波器带宽越窄，但峰值功率会降低。干涉滤波器的透射波长可以通过改变Fabry-Perot干涉仪结构参数的方法进行调节，但调节难度相对较大，这对于相对高速运动物体之间的通信，特别是“卫星-卫星”、“卫星-地面”等存在多普勒频移、需要对中心波长进行实时调制的应用场合十分不利。

原子滤波器按照原理的不同可以分为原子共振滤波器(ARF)、法拉第反常色散滤波器(FADOF)、激光感生光学各向异性原子光学滤波器(LIAOF)。ARF是利用原子内部的共振跃迁实现窄线宽滤波，通俗的讲就是原子在很窄的线宽范围内吸收信号光，然后发射受信号光调制的荧光，进而被探测器接收。FADOF是由偏振方向正交的起偏器和检偏器以及夹在其中的原子池构成。当向原子池中加入纵向磁场时，原子池会发生反常色散，偏振光通过时将产生Faraday旋光效应，偏振面发生旋转，不同波长光的旋转角度不同，这样只有特定波长的光才能通过检偏器，达到光学滤波的目的。LIAOF原理与FADOF基本相同，区别在于线偏振光的偏振面旋转是由于外加圆偏振泵浦场选择性激发而导致的。这三种原子滤波器带宽均可达到GHz量级。但由于工艺制作难度大，并且中心波长调谐性差，原子滤波器目前尚处于实验室研究阶段。

双折射滤波器主要是利用偏光干涉原理进行滤波的，按照结构的不同可以分为Lyot-Ohman和Solc滤波器。Lyot-Ohman滤波器是由多个双折射滤波单元级联而成的，每个单元由两个正交的偏振片和夹在其中的双折射晶体组成。级联单元中晶体长度依次增大。Solc滤波器由两个正交的偏振器和夹在其中的相互之间存在一定夹角的双折射晶体组成，每个晶体相对于起偏器的方位角依次递增。目前以Lyot-Ohman滤波器较为常见。光波经过双折射滤波器后，发生偏光干涉，只有特定波长的光才能透过，透射波长由滤波器的结构参数决定。双折射晶体可以采用声光晶体和电光晶体，可调性很强。然而，对于空间通信，当光信号经过大气或者海水时，散射的存在会使得光波偏振态发生变化，由于双折射滤波器中光波必须经过起偏器才能实现有效的滤波，这样将产生偏振消光损耗会，造成信号强度的起伏，甚至完全消光。

发明内容

本发明的目的在于克服上述光学滤波方法的不足，在现有双折射滤波器的基础上，提供一种基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法，显著降低了偏振消光损耗。

为实现以上发明目的，本发明提供以下基本解决方案：

一种基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法，包括以下步骤：

(1)利用光学天线对空间光信号进行采集和会聚；

(2)对会聚光进行准直，输出平行光至光束偏移器；

(3)光束偏移器将入射的平行光分为两束偏振正交的线偏振平行光，并且光束分离长度大于光斑直径(从而保证了两束平行光的光斑无交叠)；

(4)在其中一束线偏振光的输出光路上设置光学半波片，实现该束线偏振光的偏振面旋转90°，使其偏振方向与另一束线偏振光相同；同时利用光学延迟器对所述另一束线偏振光的光程进行补偿，使得两束线偏振光的光程相等；

(5)将两束线偏振光入射至同一双折射滤波器(滤波器入射面足够大，可以让两束光同时通过)，双折射滤波器起偏方向与入射光偏振方向一致，以滤除两束光中的背景噪声；

(6)采用两个相同的光电检测装置对两束线偏振光分别进行探测，将光信号转化为电信号；